RU2393376C2 - Баллон высокого давления - Google Patents

Баллон высокого давления Download PDF

Info

Publication number
RU2393376C2
RU2393376C2 RU2008134619/06A RU2008134619A RU2393376C2 RU 2393376 C2 RU2393376 C2 RU 2393376C2 RU 2008134619/06 A RU2008134619/06 A RU 2008134619/06A RU 2008134619 A RU2008134619 A RU 2008134619A RU 2393376 C2 RU2393376 C2 RU 2393376C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
reinforcing material
oriented
threads
spiral
liner
Prior art date
Application number
RU2008134619/06A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2008134619A (ru
Inventor
Сергей Владимирович Лукьянец (RU)
Сергей Владимирович ЛУКЬЯНЕЦ
Николай Григорьевич Мороз (RU)
Николай Григорьевич МОРОЗ
Original Assignee
Сергей Владимирович ЛУКЬЯНЕЦ
Николай Григорьевич МОРОЗ
Лебедев Игорь Константинович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сергей Владимирович ЛУКЬЯНЕЦ, Николай Григорьевич МОРОЗ, Лебедев Игорь Константинович filed Critical Сергей Владимирович ЛУКЬЯНЕЦ
Priority to RU2008134619/06A priority Critical patent/RU2393376C2/ru
Priority to US13/059,256 priority patent/US8540110B2/en
Priority to EP09778123A priority patent/EP2329184A1/de
Priority to PCT/EP2009/006182 priority patent/WO2010022928A1/de
Publication of RU2008134619A publication Critical patent/RU2008134619A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2393376C2 publication Critical patent/RU2393376C2/ru

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C1/00—Pressure vessels, e.g. gas cylinder, gas tank, replaceable cartridge
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2201/00—Vessel construction, in particular geometry, arrangement or size
    • F17C2201/01—Shape
    • F17C2201/0104—Shape cylindrical
    • F17C2201/0109—Shape cylindrical with exteriorly curved end-piece
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2201/00—Vessel construction, in particular geometry, arrangement or size
    • F17C2201/01—Shape
    • F17C2201/0104—Shape cylindrical
    • F17C2201/0114—Shape cylindrical with interiorly curved end-piece
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2201/00—Vessel construction, in particular geometry, arrangement or size
    • F17C2201/01—Shape
    • F17C2201/0104—Shape cylindrical
    • F17C2201/0119—Shape cylindrical with flat end-piece
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2203/00—Vessel construction, in particular walls or details thereof
    • F17C2203/06—Materials for walls or layers thereof; Properties or structures of walls or their materials
    • F17C2203/0602—Wall structures; Special features thereof
    • F17C2203/0604—Liners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2203/00—Vessel construction, in particular walls or details thereof
    • F17C2203/06—Materials for walls or layers thereof; Properties or structures of walls or their materials
    • F17C2203/0602—Wall structures; Special features thereof
    • F17C2203/0612—Wall structures
    • F17C2203/0614—Single wall
    • F17C2203/0621—Single wall with three layers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2203/00—Vessel construction, in particular walls or details thereof
    • F17C2203/06—Materials for walls or layers thereof; Properties or structures of walls or their materials
    • F17C2203/0634—Materials for walls or layers thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2203/00—Vessel construction, in particular walls or details thereof
    • F17C2203/06—Materials for walls or layers thereof; Properties or structures of walls or their materials
    • F17C2203/0634—Materials for walls or layers thereof
    • F17C2203/0636—Metals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2203/00—Vessel construction, in particular walls or details thereof
    • F17C2203/06—Materials for walls or layers thereof; Properties or structures of walls or their materials
    • F17C2203/0634—Materials for walls or layers thereof
    • F17C2203/0658—Synthetics
    • F17C2203/0663—Synthetics in form of fibers or filaments
    • F17C2203/0673—Polymers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2205/00—Vessel construction, in particular mounting arrangements, attachments or identifications means
    • F17C2205/03—Fluid connections, filters, valves, closure means or other attachments
    • F17C2205/0388—Arrangement of valves, regulators, filters
    • F17C2205/0394—Arrangement of valves, regulators, filters in direct contact with the pressure vessel
    • F17C2205/0397—Arrangement of valves, regulators, filters in direct contact with the pressure vessel on both sides of the pressure vessel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2209/00—Vessel construction, in particular methods of manufacturing
    • F17C2209/23—Manufacturing of particular parts or at special locations
    • F17C2209/234—Manufacturing of particular parts or at special locations of closing end pieces, e.g. caps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2221/00—Handled fluid, in particular type of fluid
    • F17C2221/01—Pure fluids
    • F17C2221/011—Oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2223/00—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel
    • F17C2223/01—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel characterised by the phase
    • F17C2223/0107—Single phase
    • F17C2223/0123—Single phase gaseous, e.g. CNG, GNC
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2223/00—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel
    • F17C2223/01—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel characterised by the phase
    • F17C2223/0107—Single phase
    • F17C2223/013—Single phase liquid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2223/00—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel
    • F17C2223/03—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel characterised by the pressure level
    • F17C2223/035—High pressure (>10 bar)
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2250/00—Accessories; Control means; Indicating, measuring or monitoring of parameters
    • F17C2250/04—Indicating or measuring of parameters as input values
    • F17C2250/0404—Parameters indicated or measured
    • F17C2250/043—Pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2260/00—Purposes of gas storage and gas handling
    • F17C2260/01—Improving mechanical properties or manufacturing
    • F17C2260/011—Improving strength
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2260/00—Purposes of gas storage and gas handling
    • F17C2260/01—Improving mechanical properties or manufacturing
    • F17C2260/012—Reducing weight
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2260/00—Purposes of gas storage and gas handling
    • F17C2260/01—Improving mechanical properties or manufacturing
    • F17C2260/013—Reducing manufacturing time or effort
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2270/00—Applications
    • F17C2270/01—Applications for fluid transport or storage
    • F17C2270/0165—Applications for fluid transport or storage on the road
    • F17C2270/0168—Applications for fluid transport or storage on the road by vehicles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2270/00—Applications
    • F17C2270/05—Applications for industrial use
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2270/00—Applications
    • F17C2270/07—Applications for household use
    • F17C2270/079—Respiration devices for rescuing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/13—Hollow or container type article [e.g., tube, vase, etc.]
    • Y10T428/1352—Polymer or resin containing [i.e., natural or synthetic]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/13—Hollow or container type article [e.g., tube, vase, etc.]
    • Y10T428/1352—Polymer or resin containing [i.e., natural or synthetic]
    • Y10T428/1355—Elemental metal containing [e.g., substrate, foil, film, coating, etc.]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/13—Hollow or container type article [e.g., tube, vase, etc.]
    • Y10T428/1352—Polymer or resin containing [i.e., natural or synthetic]
    • Y10T428/1355—Elemental metal containing [e.g., substrate, foil, film, coating, etc.]
    • Y10T428/1359—Three or more layers [continuous layer]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/13—Hollow or container type article [e.g., tube, vase, etc.]
    • Y10T428/1352—Polymer or resin containing [i.e., natural or synthetic]
    • Y10T428/1386—Natural or synthetic rubber or rubber-like compound containing

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
  • Woven Fabrics (AREA)

Abstract

Баллон предназначен для хранения и транспортировки текучей среды, находящейся под давлением. Баллон содержит металлический лейнер с одной горловиной в днище и внешнюю силовую оболочку из композитного материала, образованную комбинацией групп слоев высокомодульных нитей армирующего материала, ориентированных в спиральных и окружных направлениях с заданными линейными плотностями укладки, при этом на цилиндрической части баллона в силовой оболочке выполнен локальный пояс прогнозируемого разрушения в виде части оболочки, ограниченной внутри цилиндрической поверхностью лейнера и снаружи поверхностью линейчатого однополюсного гиперболоида вращения образованную спирально ориентированными нитями армирующего материала. Технический результат - повышение прочности и надежности баллона. 4 з.п.ф-лы, 7 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к области газовой аппаратуры и может быть применено к сосудам высокого давления, используемым, в частности, в портативных кислородных дыхательных аппаратах альпинистов, спасателей, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники, системах газообеспечения и автомобильной технике.
Выпускаемые в настоящее время металлопластиковые баллоны высокого давления содержат внутреннюю металлическую герметичную оболочку - лейнер и внешнюю силовую пластиковую оболочку, образованную намоткой на поверхность лейнера жгута из высокомодульного волокна (например, стекловолокна, углеволокна, органического волокна), пропитанного связующим.
Практическая привлекательность баллонов с корпусом из композиционного материала заключается в том, что они обладают достаточно малым весом, легко транспортируются и способны выдерживать значительное давление (200-300 бар) при многократной цикличности нагружения.
Эффективность применения композиционных сосудов давления определяется степенью совершенства технологии армирования - процесса непрерывной намотки. Этот метод предусматривает определение рациональной структуры материала, т.е. числа и порядка чередования слоев, углов ориентации и вида армирующих материалов в них, их относительного содержания в композиции и других параметров. При этом под слоями следует понимать слои с соответствующим расположением армирующих волокон (кольцевое или спиральное направление укладки) композиционного материала при намотке. Под толщиной кольцевых или спиральных слоев следует понимать суммарное множество армирующих волокон с соответствующим расположением, отнесенных к единице длины сечения оболочки. При этом очередность расположения слоев с кольцевым и спиральным расположением армирующих волокон по толщине стенки оболочки может быть различной.
Среди требований, предъявляемых к газовым баллонам, приоритетными являются снижение удельной материалоемкости баллона, определяемой отношением массы баллона к его объему, и обеспечение высокого ресурса по числу циклов нагружения при безопасной эксплуатации баллона.
В то же время сложившаяся в настоящее время технология ресурсного проектирования баллонов, при которой обеспечивается не только прочность конструкций при однократных статических нагрузках и предстоящий ресурс эксплуатации баллона, дополнительно определяет локализацию возможного разрушения конструкции при предельных статических условиях нагружения с заданием формы разрушения и предохранением от возможного разлета образующихся осколков (см. например стандарты ГОСТ НПБ 190-2000, EN 12245, EN 14427, ISO 1119-3 и другие).
Известен баллон высокого давления, содержащий тонкостенный металлический цилиндрический лейнер с одной горловиной в днище и внешнюю силовую оболочку из композитного материала, образованную комбинацией групп слоев высокомодульных нитей армирующего материала, ориентированных в спиральных и окружных направлениях с заданными линейными плотностями укладки (см. RU 2244868 С1, 10.04.2004).
Основным недостатком известного решения конструкции баллона с оболочкой из композиционного материала является то, что оно не выполняет предъявляемых нормативными документами требований по характеру разрушения при предельных нагрузках. Данный недостаток сдерживает их широкое применение в бытовых условиях и на транспортных средствах.
Задачей изобретения является расширение арсенала технических средств путем создания новой конструкции баллонов высокого давления из композиционных материалов с заданной формой и зоной разрушения.
Техническим результатом применения заявленной конструкции является повышение прочности и надежности при минимальной массе, заданной формой и зоной разрушения при предельных нагрузках, обеспечение высокого ресурса по числу циклов нагружения при безопасной эксплуатации баллона.
Преимущество изобретения заключается в простоте его технологической реализации и потребительской привлекательности, т.к. у потребителя появляется возможность не опасаться разрушения баллона высокого давления при достижении предельных нагрузок благодаря безосколочной форме его разрушения при этих нагрузках. Это расширяет возможности использования сосуда по изобретению особенно в бытовых условиях и на транспортных средствах, где используются сжатые газы.
Технический результат достигается тем, что баллон содержит тонкостенный замкнутый герметизирующий металлический цилиндрический лейнер, по крайней мере с одной горловиной в днище и внешнюю силовую оболочку из композитного материала, образованную комбинацией групп слоев высокомодульных нитей армирующего материала, ориентированных в спиральных и окружных направлениях с заданными линейными плотностями укладки, при этом на цилиндрической части баллона в силовой оболочке выполнен локальный пояс прогнозируемого разрушения в виде части оболочки, ограниченной внутри цилиндрической поверхностью лейнера и снаружи поверхностью линейчатого однополюсного гиперболоида вращения образованную спирально ориентированными нитями армирующего материала, причем линейная плотность укладки нитей армирующего материала, ориентированных в окружном направлении, составляет не более 70% линейной плотности укладки нитей армирующего материала, ориентированных в окружном направлении на цилиндрической части, а длина его выбирается из условия сохранения равенства d1·sinφ1=d2·sinφ2, для спирально ориентированных нитей армирующего материала,
где d1 - диаметр сечения по цилиндрической поверхности силовой оболочки, d2 - диаметр минимального сечения поверхности гиперболоида вращения,
φ1, φ2 - углы ориентации спиральных нитей в данных сечениях
и определяется соотношением:
L=d1 arccos(d2/d1) cos φ1/√(1+cos2φ1).
Технический результат достигается и тем, что на длине пояса прогнозируемого разрушения однотипные слои армирующего материала, образованные ориентированными нитями в спиральном и кольцевом направлениях цилиндрического участка, размещены на поверхностях, разноудаленных от поверхности лейнера, а также и тем, что в локальном поясе прогнозируемого разрушения линейная плотность нитей окружного армирования плавно уменьшается до половины длины образующей гиперболоида в сторону его меньшего сечения.
Кроме того, технический результат достигается и тем, что на цилиндрическом участке силовой оболочки вне пояса прогнозируемого разрушения однотипные слои армирующего материала, образованные ориентированными нитями в спиральном и кольцевом направлениях цилиндрического участка, размещены попарно на поверхностях, равноудаленных от внутренней поверхности лейнера.
Длина локального пояса прогнозируемого разрушения превышает в (20-25) раз суммарную толщину кольцевых лент армирующего материала вне зоны локального пояса прогнозируемого разрушения.
На фиг.1 показан сосуд высокого давления (в продольном разрезе).
На фиг.2, фиг.3 и фиг.4 показан профиль сечения локального пояса прогнозируемого разрушения.
На фиг.5 и фиг.6 показана картина разрушения локального пояса.
На фиг.7 представлен вид разрушения экспериментального баллона в локальном поясе при давлении 930 бар.
Как показано на фиг.1, сосуд высокого давления для текучей среды (жидкости или газа) имеет герметизирующий металлический лейнер 1 и силовую оболочку 2, изготовленную из композиционного материала, в качестве которого используют высокопрочные нити, например, углеволокна или стекловолокна. Указанную оболочку 2 получают путем намотки на металлический лейнер 1 однонаправленных нитей в спиральном и кольцевом направлениях с одновременной пропиткой полимерным связующим, например эпоксидной смолой, каждого слоя каркаса и с последующим его термическим отверждением. В результате получают конструкцию баллона, достаточно легкую по весу и способную выдерживать многократные циклические нагрузки давлением.
Функционирование силовой композитной оболочки баллона, выполненной по предложенному техническому решению, заключается в нахождении ее в таком напряженно-деформированном состоянии при действии внутреннего давления, при котором в локальном поясе локализуется концентрация напряжений в материале кольцевого армирования и не происходит никаких изменений в материале спирального армирования. При достижении предельного давления в баллоне материал кольцевого армирования на длине локального пояса разрушается, разрушается также металлический лейнер, а материал спирального армирования в силу его наличия на наружной поверхности в форме однополосного гиперболоида деформируется и принимает форму "китайского фонарика", что позволяет не пропустить разлет образующихся при разрушении лейнера металлических осколков.
В процессе изготовления силовой оболочки 2 на некоторой длине цилиндрической части лейнера (длине будущего локального пояса прогнозируемого разрушения) наматываются нити кольцевого армирования 3 с линейной плотностью армирования меньшей, чем плотность кольцевого армирования по всей длине цилиндрической части лейнера. При этом получаемая в данной зоне толщина кольцевого армирования меньше, чем общая толщина кольцевого армирования 3. В результате такой схемы армирования образуется локальный концентратор окружных напряжений, возникающих в композитном материале силовой оболочки 2 при нагружении баллона внутренним давлением. Намотку нитей спирального армирования 4 в рассматриваемой зоне производят только после намотки нитей кольцевого армирования 3. При соответствующем выборе длины зоны и в силу того, что толщина материала рассматриваемой зоны меньше общей толщины
материала, при намотке спиральных нитей образуется поверхность в форме однополостного линейчатого гиперболоида вращения. В совокупности такое армирование позволяет создать в силовой оболочке локальный пояс прогнозируемого разрушения.
Длина локального пояса прогнозируемого разрушения может быть определена как длина зоны возмущений краевого эффекта при сочленении разнотолщинных оболочек. Из соображений прочности эту длину целесообразно назначать как величину, составляющую 20-25 толщин силовой оболочки баллона.
С другой стороны, для выполнения требования образования монолитной структуры композита (плотного прилегания нитей спирального и кольцевого армирования) в процессе технологической реализации метода намотки нитей спирального армирования на длине локального пояса прогнозируемого разрушения необходимо выполнение условия
d1·sinφ1=d2·sinφ2,
где d1 - диаметр сечения по цилиндрической поверхности силовой оболочки,
d2 - диаметр минимального сечения поверхности гиперболоида вращения,
φ1, φ2 - углы ориентации спиральных нитей в данных сечениях соответственно,
что в конечном результате приводит к выбору длины локального пояса прогнозируемого разрушения, определяемой соотношением
L=d1 arccos(d2/d1) cos φ1/√(1+cos2φ1).
Рассчитывая по данной зависимости длину локального пояса прогнозируемого разрушения, при проектировании необходимо также сравнивать ее с рекомендованной длиной, равной 20-25 толщин силовой оболочки баллона, и в конечном итоге выбирать большую из них.
При выборе таких соотношений количество армирующего материала на длине локального пояса прогнозируемого разрушения рекомендуется уменьшить на 30% по сравнению с количеством армирующего материала на цилиндрической части силовой оболочки.
Для обеспечения требования безосколочного разрушения баллона на длине локального пояса прогнозируемого разрушения необходимо однотипные слои армирующего материала, образованные ориентированными нитями в спиральном и кольцевом направлениях цилиндрического участка, размещать на поверхностях, разноудаленных от поверхности лейнера, то есть на данной длине сначала на лейнер укладываются только нити кольцевого армирования, а нити спирального армирования размещены с внешней стороны силовой оболочки (см фиг.4). На всей остальной длине цилиндрической части баллона слои армирующего материала, образованные нитями, ориентированными в спиральном и кольцевом направлениях цилиндрического участка, размещены попарно на поверхностях, равноудаленных от внутренней поверхности лейнера, то есть попарно чередуются по толщине стенки силовой оболочки. Такое размещение и чередование слоев армирующих нитей позволяет локализовать разрушение в зоне пояса прогнозируемого разрушения в форме "китайского фонарика" и не допускать разлета образующихся осколков при разрушении лейнера (см. фиг.5, 6 и 7).
Рекомендуемые размеры, пределы и закон изменения угла укладки лент на длине пояса разрушения экспериментально подтверждены на натурных образцах, и доказано, что технический результат достигается только в указанных соотношениях.
Реализация предлагаемого решения проведена на примере баллона давления объемом 7 литров с рабочим давлением 300 бар и давлением разрушения не менее 900 бар. При этом силовая оболочка была выполнена из углепластика, а верхний слой намотан из стекловолокна. На фиг.7 представлено типовое разрушение баллона при давлении 930 бар в зоне локального пояса прогнозируемого разрушения.
Настоящее изобретение может быть применено к сосудам высокого давления, используемым, в частности, в портативных кислородных дыхательных аппаратах альпинистов, спасателей, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники, системах газообеспечения и автомобильной технике, в настоящий момент по данной схеме разработан ряд конструкций баллонов для использования в различных областях и для различных газов. Проводится их технологическая и экспериментальная отработка.

Claims (5)

1. Баллон высокого давления, характеризующийся тем, что содержит тонкостенный замкнутый герметизирующий металлический цилиндрический лейнер, по крайней мере, с одной горловиной в днище и внешнюю силовую оболочку из композитного материала, образованную комбинацией групп слоев высокомодульных нитей армирующего материала, ориентированных в спиральных и окружных направлениях с заданными линейными плотностями укладки, при этом на цилиндрической части баллона в силовой оболочке выполнен локальный пояс прогнозируемого разрушения в виде части оболочки, ограниченной внутри цилиндрической поверхностью лейнера и снаружи поверхностью линейчатого однополюсного гиперболоида вращения, образованную спирально ориентированными нитями армирующего материала, причем линейная плотность укладки нитей армирующего материала, ориентированных в окружном направлении, составляет не более 70% линейной плотности укладки нитей армирующего материала, ориентированных в окружном направлении на цилиндрической части, а длина его выбирается из условия сохранения равенства d1·sinφ1=d2·sinφ2 для спирально ориентированных нитей армирующего материала,
где d1 - диаметр сечения по цилиндрической поверхности силовой оболочки, d2 - диаметр минимального сечения поверхности гиперболоида вращения, φ1, φ2 - углы ориентации спиральных нитей в данных сечениях, и определяется соотношением:
Figure 00000001
2. Баллон по п.1, в котором на длине пояса прогнозируемого разрушения однотипные слои армирующего материала, образованные ориентированными нитями в спиральном и кольцевом направлениях цилиндрического участка размещены на поверхностях, разноудаленных от поверхности лейнера.
3. Баллон по п.2, в котором на цилиндрическом участке силовой оболочки вне пояса прогнозируемого разрушения однотипные слои армирующего материала, образованные ориентированными нитями в спиральном и кольцевом направлениях цилиндрического участка размещены попарно на поверхностях, равноудаленных от внутренней поверхности лейнера.
4. Баллон по п.1, в котором линейная плотность нитей окружного армирования локального пояса прогнозируемого разрушения плавно уменьшается до половины длины образующей гиперболоида в сторону его меньшего сечения.
5. Баллон по п.1, в котором длина локального пояса прогнозируемого разрушения превышает в (20-25) раз суммарную толщину кольцевых лент армирующего материала вне зоны локального пояса прогнозируемого разрушения.
RU2008134619/06A 2008-08-27 2008-08-27 Баллон высокого давления RU2393376C2 (ru)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008134619/06A RU2393376C2 (ru) 2008-08-27 2008-08-27 Баллон высокого давления
US13/059,256 US8540110B2 (en) 2008-08-27 2009-08-26 High-pressure container
EP09778123A EP2329184A1 (de) 2008-08-27 2009-08-26 Hochdruckbehälter
PCT/EP2009/006182 WO2010022928A1 (de) 2008-08-27 2009-08-26 Hochdruckbehälter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008134619/06A RU2393376C2 (ru) 2008-08-27 2008-08-27 Баллон высокого давления

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2008134619A RU2008134619A (ru) 2010-03-10
RU2393376C2 true RU2393376C2 (ru) 2010-06-27

Family

ID=41203787

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008134619/06A RU2393376C2 (ru) 2008-08-27 2008-08-27 Баллон высокого давления

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8540110B2 (ru)
EP (1) EP2329184A1 (ru)
RU (1) RU2393376C2 (ru)
WO (1) WO2010022928A1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU180975U1 (ru) * 2017-07-11 2018-07-02 Сергей Петрович Семенищев Металлокомпозитный баллон высокого давления, предназначенный для передвижных автомобильных газовых заправщиков при вертикальной установке с фиксацией за горловину
RU218529U1 (ru) * 2023-02-03 2023-05-30 Общество с ограниченной ответственностью "Инновационные Системы Пожаробезопасности" Подвесное устройство газового пожаротушения

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6601425B2 (ja) * 2017-01-18 2019-11-06 トヨタ自動車株式会社 ガスタンク用のライナーおよびガスタンク

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1136313B (de) * 1960-01-16 1962-09-13 Pintsch Bamag Ag Doppelwandiger Druckbehaelter
US3446385A (en) * 1966-08-05 1969-05-27 Koppers Co Inc Filament wound reinforced pressure vessel
JPS4849487A (ru) * 1971-10-22 1973-07-12
US4851286A (en) * 1986-11-18 1989-07-25 United Foam Plastics Foamed plastic cushioning materials
DE3741625A1 (de) 1987-12-04 1989-06-15 Hydrid Wasserstofftech Druckbehaelter fuer die speicherung von wasserstoff
US5199609A (en) * 1991-09-11 1993-04-06 Ash Jr William O Portable dispensing system
US6145692A (en) * 1997-12-30 2000-11-14 Cherevatsky; Solomon Pressure vessel with thin unstressed metallic liner
US6547092B1 (en) 2000-11-14 2003-04-15 Solomon Chervatsky Pressure vessel with thin unstressed metallic liner
US6808833B2 (en) * 2002-01-22 2004-10-26 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Fuel supply for a fuel cell
US7172825B2 (en) * 2003-07-29 2007-02-06 Societe Bic Fuel cartridge with flexible liner containing insert
WO2007051432A1 (en) 2005-11-01 2007-05-10 Lukiyanets Sergei Vladimirovic Composite pressure vessel

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU180975U1 (ru) * 2017-07-11 2018-07-02 Сергей Петрович Семенищев Металлокомпозитный баллон высокого давления, предназначенный для передвижных автомобильных газовых заправщиков при вертикальной установке с фиксацией за горловину
RU218529U1 (ru) * 2023-02-03 2023-05-30 Общество с ограниченной ответственностью "Инновационные Системы Пожаробезопасности" Подвесное устройство газового пожаротушения

Also Published As

Publication number Publication date
US20110266182A1 (en) 2011-11-03
WO2010022928A1 (de) 2010-03-04
US8540110B2 (en) 2013-09-24
RU2008134619A (ru) 2010-03-10
EP2329184A1 (de) 2011-06-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8550286B2 (en) High-pressure container
Madhavi et al. Design and Analysis of Filament Wound Composite Pressure Vessel with Integrated-end Domes.
US10563818B1 (en) Basalt-based pressure vessel for gas storage and method for its production
US8074826B2 (en) Damage and leakage barrier in all-composite pressure vessels and storage tanks
US9939108B2 (en) Wire wrapped pressure vessels
US8453868B2 (en) Gas cylinder
US4699288A (en) High pressure vessel construction
US20150192251A1 (en) High pressure carbon composite pressure vessel
JP2008169893A (ja) 圧力容器及びその製造方法
RU2393376C2 (ru) Баллон высокого давления
RU2162564C1 (ru) Баллон давления из композиционных материалов и способ его изготовления
CN110873276B (zh) 储罐的制造方法
EP2532930B1 (en) Metal composite pressure cylinder
CN109964068A (zh) 压力容器
RU2560125C2 (ru) Баллон высокого давления
WO2010024708A1 (ru) Баллон высокого давления
JPH1182888A (ja) 耐圧性に優れたｆｒｐ圧力容器及びその製造法
RU2338670C1 (ru) Способ намотки силовой оболочки баллона высокого давления из полимерных композиционных материалов и баллон высокого давления из полимерных композиционных материалов
RU2439425C2 (ru) Металло-композитный баллон давления
RU2358187C2 (ru) Композиционный баллон высокого давления
US11015761B1 (en) Composite pressure vessel for gas storage and method for its production
RU165217U1 (ru) Композитный баллон высокого давления
WO2013083151A1 (en) Optimised vessel
CN106891541B (zh) 一种碳纤维缠绕耐外压管的铺层结构
RU2757315C1 (ru) Металлокомпозитный баллон высокого давления

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180828